1.5.4 Энергетическая диаграмма p-n-структуры (рис. 1.17)

Р исунок 1.17 - Энергетическая диаграмма p-n-структуры

– дырки

– электроны

– ионизированные доноры

– ионизированные акцепторы

На рис. 1.17, а) и б) показано положение уровня Ферми на энергетических диаграммах уединенных p- и n-областей полупроводника.

В p-области, где имеются локальные уровни акцепторов, расположенные у валентной зоны проводимости, уровень Ферми W_F (W_F – уровень энергии, которой может обладать электрон с вероятностью p = ½) смещен в сторону валентной зоны. В n-области, где донорами образованы локальные уровни у зоны проводимости, уровень Ферми смещен в сторону зоны проводимости.

Энергетическая диаграмма p-n-структуры показана на рис. 1.17, в). Уровень Ферми располагается здесь на одной и той же высоте, так как величина энергии на уровне Ферми должна быть одинаковой по всей структуре. Поскольку расположение энергетических зон относительно уровня Ферми в каждой из областей (p и n) строго фиксировано, в области p-n-перехода энергетические зоны искривляются. Разность минимальных энергий электрона в зонах проводимости p- и n-областей равна qφ_К, т.е. определяется контактной разностью потенциалов. Концентрация электронов в зоне проводимости n-области оказывается выше, так как минимальная энергия, которой должны обладать электроны в этой зоне, ниже, чем в зоне проводимости p-области. Концентрация дырок в валентной зоне p-области выше, потому что здесь их минимальная энергия ниже, чем в валентной зоне n-области. Чтобы перейти в валентную зону n-области, дырки должны совершить работу, величина которой равна qφ_К.

1.5.5 Прохождение тока через ЭДП

Если к p-n-структуре приложено внешнее напряжение, то под его действием в цепи возникает электрический ток. Характер токопрохождения через ЭДП и величина тока оказываются различными в зависимости от полярности приложенного напряжения.

1.5.5.1 Прямой ток

Внешнее напряжение противоположено по знаку контактной разности потенциалов. Распределение потенциала в полупроводнике показано на рис. 1.18, б), причем потенциал дырочной области принят условно за 0.

+

а)

б)

в)

г)

Рисунок 1.18 – Распределение потенциала в полупроводнике

Концентрация подвижных носителей заряда внутри ЭДП значительно ниже, чем в p

+

- и n-областях ( ).

Электрическое сопротивление p-n-перехода оказывается весьма большим по сравнению с сопротивлением p- и n-областей полупроводника. Поэтому внешнее приложенное к полупроводнику напряжение почти полностью падает на переходе, а падение напряжения в остальных частях полупроводника обычно настолько мало, что им можно пренебречь. Напряжение U_p-n на переходе в рассматриваемом случае оказывается меньше, чем при отсутствии внешнего напряжения U:

(1.44)

Так как внешнее поле направлено навстречу собственному полю перехода, то результирующее электрическое поле в переходе уменьшается. Вследствие этого нарушается равновесие между дрейфовым и диффузионным токами, имевшее место при отсутствии внешнего напряжения. Дрейфовый ток становится меньше диффузионного, и результирующий ток через переход оказывается неравным нулю:

(1.45)

По мере увеличения внешнего напряжения U результирующий ток через переход может возрасти до весьма больших значений, так как градиент концентрации носителей в переходе и возможный диффузионный ток через переход очень велики.

Ток, протекающий через переход в этом случае называют прямым током, а напряжение, приложенное к переходу, – прямым напряжением. Прямое напряжение противоположно по полярности контактной разности потенциалов на переходе, следовательно, оно прикладывается плюсом к дырочной области и минусом – к электронной.